變壓吸附制氮系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)氣體置換中的應(yīng)用

韓 丹,周 莽,李 軍

(1.大唐長(zhǎng)春第二熱電有限責(zé)任公司,長(zhǎng)春 130031;2.國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司,長(zhǎng)春 130021)

根據(jù) GB 4962— 2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》:氫氣系統(tǒng)動(dòng)火檢修,必須保證系統(tǒng)內(nèi)部和動(dòng)火區(qū)或氫氣體積分?jǐn)?shù)最高不超過(guò) 0.4%,因此,在發(fā)電機(jī)進(jìn)行 A、B檢修時(shí),需要對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行氣體置換。為確保發(fā)電機(jī)在氣體置換過(guò)程中安全,氣體置換一般采用中間介質(zhì),氮?dú)馐禽^為理想的中間介質(zhì)。用密度大的氣體置換密度小的氣體時(shí),密度大的氣體應(yīng)從發(fā)電機(jī)底部二氧化碳母管送進(jìn),密度小的氣體從發(fā)電機(jī)頂部氫氣母管排出;用密度小的氣體置換密度大的氣體時(shí),密度小的氣體應(yīng)從發(fā)電機(jī)頂部 H2母管送進(jìn),密度大的氣體應(yīng)從發(fā)電機(jī)底部二氧化碳母管排出。某發(fā)電公司現(xiàn)運(yùn)行的6×200 MW機(jī)組,發(fā)電機(jī)的冷卻方式均為定子繞組采用水內(nèi)冷,轉(zhuǎn)子繞組采用氣隙取氣斜流式氫氣內(nèi)冷,定、轉(zhuǎn)子鐵心采用氫氣表面冷卻,整機(jī)內(nèi)部為密閉氫氣循環(huán)冷卻。

1 常規(guī)置換方法

某發(fā)電公司《電氣運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定,對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行氣體置換時(shí)需要使用氮?dú)馄?氮?dú)鈨?chǔ)量按發(fā)電機(jī)容積(73 m3)的 1.5倍準(zhǔn)備,要求瓶裝氮?dú)饧兌却笥?8%,氧氣體積分?jǐn)?shù)要小于0.5%。將安有減壓器的氮?dú)馄拷佑谥脫Q母管各置換分閥門(mén)上,開(kāi)啟置換總閥門(mén)及分閥門(mén)向發(fā)電機(jī)內(nèi)充氮?dú)?開(kāi)啟排氫閥門(mén)。為確保置換過(guò)程的安全,規(guī)定充氮?dú)鈮毫ψ罡卟坏贸^(guò) 0.4 M Pa,機(jī)內(nèi)氣體壓力保持在 0.003～0.005 MPa。當(dāng)?shù)獨(dú)庥猛?15瓶左右時(shí),關(guān)閉氮?dú)馄块y門(mén)、減壓器閥門(mén)、置換總閥門(mén)及相應(yīng)置換分閥門(mén),停止充排,取樣化驗(yàn)合格則停止置換,不合格則繼續(xù)充排。

由于氮?dú)馄抠|(zhì)量較大,操作人員在搬運(yùn)過(guò)程中消耗的體能較多,并且氮?dú)馄窟€易發(fā)生碰撞、倒落等危險(xiǎn)。另外,氮?dú)馄績(jī)?nèi)壓力一般較高(14 M Pa左右),如果置換操作過(guò)程中對(duì)壓力掌握不好,易導(dǎo)致接口聯(lián)接的膠管脫落而引起意外事故。為保證6臺(tái)機(jī)組的置換需求,該發(fā)電公司每年需要對(duì)外采購(gòu) 400瓶以上氮?dú)?一定程度上增加了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本,因此,采用傳統(tǒng)方法使用氮?dú)馄繉?duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行氣體置換在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面均存在一定弊端。

2 變壓吸附制氮系統(tǒng)簡(jiǎn)介

運(yùn)用變壓吸附(PSA)原理,以空氣為原料,以碳分子篩作為吸附劑,利用碳分子篩對(duì)氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法,通稱(chēng)變壓吸附制氮。與傳統(tǒng)制氮法相比,它具有工藝流程簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)氣快、能耗低,產(chǎn)品純度可在較大范圍內(nèi)根據(jù)用戶(hù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),操作維護(hù)方便、運(yùn)行成本較低、裝置適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)。

變壓吸附制氮正是利用碳分子篩的選擇吸附特性,采用加壓吸附,減壓解吸的循環(huán)周期,使壓縮空氣交替進(jìn)入吸附塔(也可以單塔完成)來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣分離,從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)?。制氮系統(tǒng)的主要流程是:空壓機(jī)→空氣緩沖罐→V級(jí)過(guò)濾器→冷干機(jī)→ A級(jí)過(guò)濾器→B級(jí)過(guò)濾器→活性炭過(guò)濾器(除油)→空氣工藝罐→吸附塔(左、右)→氮?dú)夤に嚬蕖蹓m過(guò)濾器→減壓閥→氮?dú)廨敵觥?/p>

為保證進(jìn)入制氮系統(tǒng)的高壓空氣干燥,在制氮系統(tǒng)前端加裝冷卻器或冷凍式干燥機(jī),根據(jù)冷凍除濕原理壓縮空氣在冷凍器中和制冷劑進(jìn)行熱交換,空氣中的水分冷卻后再次發(fā)生冷凝,從而將其中所含的大量水蒸氣、油霧冷凝成液滴,由自動(dòng)排水器排出。同時(shí),為保證產(chǎn)出的氮?dú)赓|(zhì)量,在制氮機(jī)出口安裝氮?dú)夥治鰞x,以便監(jiān)視產(chǎn)出的氮?dú)饧兌仁欠駶M(mǎn)足要求。

3 系統(tǒng)改造及維護(hù)

為實(shí)現(xiàn)變壓吸附制氮系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)氣體置換,該發(fā)電公司引進(jìn)了一套 PSA制氮系統(tǒng),并為各臺(tái)機(jī)組安裝了氮?dú)庵脫Q管路,對(duì)發(fā)電機(jī) 0 m小氫站氫系統(tǒng)進(jìn)行了改造,配備了氮?dú)鈮毫Ρ硪约暗獨(dú)夥治鋈娱T(mén)。從實(shí)際效果來(lái)看,PSA制氮機(jī)可以連續(xù)產(chǎn)出高純度的產(chǎn)品氮?dú)?產(chǎn)氣量達(dá) 20 m3/h,純度可達(dá)99.5%。

為滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)氮?dú)庵脫Q要求,公司結(jié)合實(shí)際工況制訂了新的氣體置換規(guī)定。規(guī)定要求,氮?dú)夤苈氛＿\(yùn)行方式為制氮機(jī)至發(fā)電機(jī)充氮總門(mén)在關(guān)閉位置,各臺(tái)發(fā)電機(jī)B排墻氮?dú)夤苈贩珠T(mén)在開(kāi)啟位置,發(fā)電機(jī)0 m小氫站置換總門(mén)及分門(mén)在關(guān)閉位置。在開(kāi)始進(jìn)行氣體置換之前,要對(duì)制氮系統(tǒng)徹底排污一次,通知化學(xué)人員檢測(cè)來(lái)氮管路氮?dú)饧兌?合格標(biāo)準(zhǔn)是:氮?dú)饧兌却笥?98%,氧氣體積分?jǐn)?shù)小于 0.5%,并對(duì)氮?dú)夤苈纷?5 min以上的吹掃。全開(kāi)制氮機(jī)至發(fā)電機(jī)充氮總門(mén),在置換過(guò)程中保證發(fā)電機(jī)入口氮?dú)鈮毫Σ坏陀?0.15 MPa。發(fā)電機(jī)氮?dú)庵脫Q完畢后,關(guān)閉制氮機(jī)至發(fā)電機(jī)充氮總門(mén)。發(fā)電機(jī)氣體置換(N2置換 H2)流程為:變壓吸附制氮系統(tǒng)→氮?dú)狻l(fā)電機(jī)→氫氣→排入廠房外大氣。

為了保證制氮系統(tǒng)可靠運(yùn)行,還要對(duì)其所屬設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。對(duì)制氮系統(tǒng)中的設(shè)備的維護(hù)主要包括空壓機(jī)、冷干機(jī)、過(guò)濾器、制氮主機(jī)的維護(hù)。空壓機(jī)的日常維護(hù)主要是經(jīng)常檢查空壓機(jī)壓縮油是否正常,嚴(yán)格按照壓縮機(jī)使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行維護(hù):1～2 h要排放空氣儲(chǔ)罐下的排污閥門(mén);冷干機(jī)的散熱器要經(jīng)常用壓縮空氣吹掃;制氮機(jī)過(guò)濾器的排污口要經(jīng)常檢查是否堵塞或泄漏等。

4 結(jié)束語(yǔ)

變壓吸附制氮系統(tǒng)耗能低,運(yùn)行費(fèi)用少,原料空氣取自自然,只需提供壓縮空氣和電源即可制氮,可大大降低生產(chǎn)成本,且連續(xù)運(yùn)行可靠性高。目前,該發(fā)電公司采用母管式氮?dú)鈿怏w置換方式已經(jīng)完成了6臺(tái)機(jī)組大 A、B檢修前后氣體置換工作。從實(shí)際操作情況來(lái)看,變壓吸附制氮機(jī)可以為發(fā)電機(jī)置換提供充足的氮?dú)?。將變壓吸附制氮系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)氣體置換,不僅提高了置換的安全性,縮短了置換時(shí)間。該方法也為類(lèi)似冷卻方式的發(fā)電機(jī)組的氣體置換提供了參考。需要注意的是,應(yīng)保證進(jìn)入發(fā)電機(jī)的氮?dú)馐歉稍锏?所以考慮在置換總閥門(mén)前加裝干燥劑罐。